0 引言

水轮机作为水电站能量转换的核心设备，其运行稳定性直接决定电站发电效率与安全。空化现象是水轮机运行中的典型问题，因流道内局部压力低于水的饱和蒸汽压，会形成气泡并溃灭，导致叶片侵蚀、振动噪声加剧，严重时甚至引发设备故障，大幅缩短使用寿命并增加运维成本。当前水轮机空化研究虽已形成数值模拟与试验结合的技术框架，但在空化模型适配性、复杂工况下模拟精度，以及试验与实际运行场景的关联性等方面仍需完善。基于此，围绕水轮机空化特性的数值模拟与试验展开研究，旨在明晰空化发展规律、验证模拟方法可靠性，为水轮机空化防控与性能优化提供科学支撑，保障水电站高效稳定运行。

1 水轮机空化特性的基础理论与影响因素

1.1 水轮机空化的形成机理、发展阶段及破坏形式

系统梳理水轮机空化的基础理论体系，明确其形成机理、发展阶段与破坏形式。形成机理上，当水轮机流道内局部水流速度升高导致压力降至对应水温下的饱和蒸汽压时，水中溶解气体析出并形成蒸汽泡，即空化的初始形成；随着水流运动，气泡被带入高压区域会迅速溃灭，产生强烈冲击波与微射流。发展阶段可划分为初生空化、发展空化、充分空化三个阶段：初生空化阶段仅在局部出现少量微小气泡，对设备影响微弱；发展空化阶段气泡数量增多且范围扩大，开始伴随轻微振动与噪声；充分空化阶段气泡大面积分布，流道内流动状态紊乱。破坏形式主要表现为机械剥蚀，气泡溃灭产生的冲击波反复作用于金属表面，导致表面材料疲劳剥落形成蜂窝状凹坑；同时，溃灭过程中产生的化学腐蚀会加速材料损伤，双重作用下严重破坏水轮机叶片及流道结构，影响设备性能^[1]。

1.2 水轮机空化的关键影响因素分析

从多维度剖析影响水轮机空化特性的关键因素，明确各因素作用机制。工况参数方面，机组出力偏离设计工况时，流道内水流易产生脱流、漩涡等不稳定流动，导致局部压力骤降，诱发空化；水头变化会直接改变流道内压力分布，水头过低易使进口压力不足，增加空化风险。流道结构方面，叶片型线设计不合理（如进口边过薄、翼型曲率突变）会导致水流绕流时局部流速异常升高；流道表面粗糙度大则会加剧水流扰动，破坏流场稳定性，为气泡形成创造条件。水质条件方面，水中含有的杂质颗粒会成为空化核，降低空化初生压力，加速空化形成；水温升高会提高水的饱和蒸汽压，使流道内更易达到空化临界压力。此外，水轮机运行年限增加导致的流道磨损、变形，也会改变原有流场特性，间接影响空化发生概率与发展程度。

1.3 水轮机空化特性的评价指标与表征方法

构建水轮机空化特性评价体系，明确科学评价指标与表征方法。评价指标涵盖空化初生系数、空化数、空化强度与空化损伤率：空化初生系数为流道最低压力与进口压力比值达临界值时的系数，用于判断空化是否发生；空化数通过对比实际与临界值量化空化风险等级，反映发展程度；空化强度以单位时间气泡溃灭次数、体积变化率衡量，表征作用剧烈程度；空化损伤率以单位面积材料剥落量或凹坑数量为指标，评估设备破坏程度。表征方法采用可视化观测与数据监测结合：通过高速摄像记录流道内气泡产生、运动与溃灭过程，直观呈现空化形态；利用压力、振动传感器采集流道压力、设备振动数据，结合声学监测捕捉气泡溃灭特征声波，实现空化特性多维度精准表征与量化分析^[2]。

2 水轮机空化特性的数值模拟与试验设计及实施

2.1 水轮机内流场与空化模型的构建及数值模拟方法

以水轮机实际运行工况为依据，完成内流场与空化模型构建及模拟方法确定。内流场模型构建时，基于水轮机几何参数（转轮直径、流道曲率、叶片角度等），采用三维建模软件建立包含进水阀、转轮、导叶、尾水管的全流道几何模型，通过网格划分技术生成适配的结构化网格，确保流道关键区域（如叶片表面、转轮出口）网格加密以提升计算精度。空化模型选取基于多相流理论，采用适用于水力机械的空化模型，引入蒸汽体积分数方程描述气泡生成与溃灭过程，结合湍流模型模拟流道内复杂流动状态。数值模拟方法上，设定边界条件（进口流量、出口压力、转速等），采用有限体积法对控制方程进行离散求解，通过迭代计算获取流场压力分布、速度分布及空化区域分布特征，为后续试验提供理论参考。

2.2 水轮机空化试验系统设计、参数设定与测试方案

结合数值模拟研究目标，完成空化试验系统搭建与测试方案制定。试验系统采用闭环循环结构，包含循环水系统、水轮机试验台、参数测量系统及数据采集系统，循环水系统提供稳定水流，试验台安装模型水轮机，测量系统配备压力传感器、流量传感器、高速摄像机，数据采集系统实时获取信息，确保关键参数精准控制与测量。参数设定依据水轮机额定参数与模拟工况，确定额定流量、部分负荷、低水头工况下的进口压力、流量、转速范围，设定空化系数变化梯度，通过逐步降低进口压力诱发空化。测试方案明确空化起始系数、空化区域面积、振动加速度、噪声分贝等指标，采用“参数调节-数据采集-现象记录”流程，调节参数至目标工况后采集数据、拍摄空化过程，同步记录不同工况数据与现象^[3]。

2.3 数值模拟结果与试验数据的对比验证及误差分析

通过多维度对比与系统分析，完成数值模拟与试验的验证及误差探究。对比验证从三方面开展：一是比较模拟空化起始系数与试验临界空化系数，验证模型预判准确性；二是将模拟的叶片吸力面、转轮出口等空化区域，与试验空化图像比对形态及位置；三是分析模拟与试验的水轮机效率、扬程、振动值等参数吻合度。误差分析从模型简化、网格质量、试验环境、测量仪器精度排查来源，量化各因素影响，提出优化网格划分、修正边界条件、改进试验系统密封性等措施，提升研究结果可靠性。

3 结语

本研究围绕水电站水轮机空化特性，完成全流道内流场与空化模型构建，确定数值模拟方法，搭建试验系统并制定测试方案，通过多维度对比验证了模拟结果与试验数据的一致性，明晰了水轮机空化形成、发展规律及关键影响因素，验证了所选数值模拟方法的可靠性。受研究条件限制，模型未完全复刻实际水轮机流道微小结构，试验工况与电站真实运行场景存在一定差异，导致部分结果存在细微误差。未来可优化模型细节、拓展试验工况，结合AI算法提升模拟精度，同时探索空化防控的结构优化方案，为水轮机性能提升与水电站安全运行提供更精准的技术支撑。

参考文献

[1]王磊,娄瑜,王照福.混流式模型水轮机空化流动分析与试验研究[J].排灌机械工程学报, 2014(9):5.

[2]杨娟丽.万家寨水电站水轮机转轮空化性能的预测研究[D].中国农业大学,2005.

[3]尤建锋.水泵水轮机空化特性及过渡过程数值模拟研究[D].武汉大学,2017.